装载机虚拟样机技术应用现状及展望.pdf

第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N o n [ e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．2 M a y 2006 装载机虚拟样机技术应用现状及展望 宁晓斌，孟彬，王磊，余翊妮 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点试验室，杭州 3 10 0 14 摘 要在回顾装载机虚拟样机模型发展的基础上，以近期的研究工作为重点，介绍装载机虚拟样机模型，阐述装载机虚拟 样机模型的建模方法，总结了装载机虚拟样机建模的核心问题及发展方向，对装载机动力学仿真模型的建模提出建议。 关键词矿山机械工程；装载机；虚拟样机技术；仿真 中图分类号T H 2 4 3 ；T P 3 9 1 ．9文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 9 6 0 4 目前我国装载机的产销量居世界第一位，但是 装载机的性能仍然与世界水平有一定差距，为提高 装载机性能，应用虚拟样机技术进行装载机研究成 为趋势。虚拟样机技术作为一种技术手段，在汽车 工业被普遍采用，对汽车从子系统到整车进行仿真， 以评价汽车的操作稳定性、舒适性、耐久性。工程车 辆使用虚拟样机技术滞后，一个原因是虚拟样机软 件工具投资大且培训时间长，另一个原因是工程车 辆结构复杂。随着工程车辆，特别是装载机的产量 不断提高，伴随着越来越严格的法律要求 如噪声和 尾气的排放标准 ，以及客户更多的需要 如性能、操 作性 ，需要对复杂的系统进行优化，装载机的研究 需要使用虚拟样机技术，以提高性能，降低消耗。另 一方面，装载机在新机型投产前的试验样机，投资巨 大，时间长，随着装载机的更新换代加快，装载机也 需要应用虚拟样机技术减小样机数量，降低开发费 用，缩短开发时间。最近，国内外相继发表了有关装 载机的虚拟样机研究的文章。研究的粗细程度，国 内以装载机的部件模型为主u ’3J ，国外以装载机整 车模型为主。研究内容涉及装载机的操作性能、行 驶舒适性、耐久性。目前装载机研究的焦点是对装 载机的动力学仿真，分析和优化整车性能。 1装载机虚拟样机的仿真目标 装载机虚拟样机仿真设计的目标，除提到的降 低费用和缩短开发周期外，更为详细的目的为优化 装载机性能，以提高装载机效率 如降低油耗 ，增加 装载机操作性 如增加操作灵活性 ，减轻设计者劳 收稿日期2 0 0 4 ～1 2 1 3 作者简介宁晓斌 1 9 6 5 一 ，男，山西忻州市人，副教授，博士，主要 从事车辆动力学仿真研究工作。 动强度。仿真优化装载机性能，不仅包括装载机的 结构参数，而且包括工作环境因素，如工作的海拔高 度 大气压力对发动机的影响 ，驾驶员的操作经验 等。为解决仿真工程中的矛盾，需要应用多目标优 化技术。 装载机电子控制装置的大量使用，极大地提高 了装载机的性能。例如装载机在行走插入同时举升 铲斗工作过程中，发动机动力传输到底盘和液压两 个子系统，当铲斗的插入力和举升力之和，超过发动 机输出动力时，造成发动机熄火。牵引力和举升／转 斗力分配不合理，影响装载机的速度和举升时间，驾 驶员操作装载机人工合理分配牵引力和举升僚斗 力是困难的，因为一个工作循环包括几个操作过程， 每个过程需要合理分配动力，又有许多操作情况，每 种都有自己的要求，为合理分配发动机的动力，装载 机需要配备电子控制装置。装载机虚拟样机的计算 机仿真，为装载机电子控制装置的开发和设计提供 了技术手段。 装载机性能涉及参数很多，如几何参数 举升高 度、挖掘深度、倾卸高度 、载荷、力 举升力、牵引 力 、消耗和排放 燃料消耗、尾气排放、噪声和振 动 、控制性能 精确性、反馈、响应 。这些性能参数 有些由多个子系统决定 如举升力由液压和载荷决 定 ，有些参数由单个子系统决定 如牵引力 ，装载 机的机一电一液耦合仿真，是不同领域的非线性子 系统及其相互作用的仿真，动力学分析和优化是具 有挑战性的工作HJ 。 2 装载机虚拟样机的建模方法 装载机结构复杂，由多个子系统组成，共同完成 装载机的功能，装载机性能仿真时，根据需要考虑不 万方数据 第2 期宁晓斌等装载机虚拟样机技术应用现状及展望9 7 同的子系统。虚拟样机仿真可应用于产品设计的某 个阶段或全过程，在装载机仿真研究初期阶段，对装 载机的某一部件进行仿真研究，在不改变软件环境 前提下，单一模型不断被细化。随着虚拟样机技术 的不断应用，仿真和研究装载机整车的动力学性能。 装载机仿真目前以C a t e r p i l l a r 公司为代表，通 过开发装载机专用仿真软件对装载机进行研究；以 V o l v o 公司为代表，在通用仿真软件平台基础上，通 过开发装载机仿真专用界面，进行装载机仿真研究， 下面分别予以介绍。 在装载机行驶操作过程中，剧烈的加速减速引 起驾驶员的疲劳以及物料的洒落，如果安装电子控 制装置，减小操作循环过程时间，增加行驶的稳定 性，克服驾驶员的疲劳和物料的洒落，为此，需要分 析装载机的动力学性能。装载机性能涉及许多设计 参数，装载机操作性能用数学模型研究几乎是不可 能的，需要建立虚拟样机仿真系统，能够表示装载机 的动力学过程。基于以上目的，美国I o w a 大学与 C a t e r p i l l a r 公司合作，开发了装载机专用仿真软件 I D S I o w aD r i v i n gS i m u l a t o r 。I D S 开发的第一阶 段，是建立装载机开环模型，仿真装载机行驶过程中 的操作性能，考虑了轮胎和液压系统的作用，I D S 仿 真了装载机行走过程中以及工作过程中，驾驶员的 运动。I D S 开发的第二阶段，开发了图形用户界面， 建立矿山路面和图1 的矿山场景的装载机虚拟仿真 环境。图形用户界面能够修改装载机仿真模型的参 数，包括底盘参数、传动系统参数、液压系统参数、轮 胎参数，修改所需要研究的参数后，仿真软件在虚拟 环境中快速改变设计参数，装载机从新装配，精确性 较高。I D S 开发的第三阶段，进一步提高仿真的精 度，对装载机底盘、工作装置模型进一步细化，考虑 到装载机的发动机驱动液压马达，仿真模型中连接 了液压系统与传动系统。模型仿真了工作装置的工 作过程，研究解决机械系统与液压系统的协调性能。 图1I D S 矿山仿真场景 F i g ．1 I D Ss i m u l a t i o nv i e wo fm i n i n gp i t I D S 包括五个独立的模块，即底盘多体动力学 模块、工作装置动力学模块、传动系统模块、轮胎模 块、液压系统模块以及矿山地面路谱模型和矿山三 维工作场景。底盘模块作为装载机模型的基础，表 示装载机的运动状态，其他模块装配在底盘模块上， 液压模块中的压力与发动机关联。C a t e r p i l l a r 公司 采用此装载机专用仿真软件，对装载机进行分析，结 果显示了装载机工作过程中，传动系统、液压系统、 工作装置之间的相互作用关系，试验测试结果表明 I D S 的较高的真实度【5 - 6 | 。 装载机专用仿真软件分析效率较高，但需要软 件开发人员熟知多体动力学、微分方程数值解法、软 件工程等知识，开发难度大且时间长，应用机型窄。 采用通用的仿真软件进行装载机研究，开发过 程短，通用性强，但缺点是需要对通用软件进行培 训，在微机上分析仿真的计算时间也较长。 瑞典V o l v o 公司与瑞典L i n k p i n g 大学、瑞典 R 0 y a lI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y 等，为解决复杂工程车辆 多学科仿真的问题，发展多学科仿真集成软件技术， 合作制订了V I S P 研究项目，该项目目标是针对工程 人员，采用合适的方法，开发界面友好的动力学分析 研究软件平台，进行复杂工程车辆的建模和准确的仿 真。V I S P 项目以装载机为研究对象，仿真内容包含 装载机整车机械系统、液压系统和控制系统。 在V I S P 项目中，首先采用A d a m s 以V o l v o 公 司生产的装载机为原形机，开发了装载机的虚拟样 机，见图2 。需要研究的参数有输入界面，虚拟样机 全部是刚体零件，物料用四个简单的、容易测量的物 理参数表示，用理论公式确定装载机铲斗的受力，这 样装载机模型能够适应于铲装各种物料的仿真。模 型仿真得出了装载机工作循环过程中，举升油缸和 转斗油缸的受力，与试验测量结果吻合较好，说明模 型能够准确仿真工作装置的动力学过程。 在A d a m s 中的仿真，得到了零件之间的受力， V I S P 项目成员，用A n s y s 建立了工作装置模型，以 研究零件本身的应力，并提出了系统模型和子系统 模型之间应当存在的关系，明确了分析所用的单元 特征，模型确定了零件之间连接方法，举升油缸和转 斗油缸的表示方法，在模型中施加工作装置工作工 程中铲斗的动载荷以及转斗油缸和举升油缸对工作 装置的主动力，对工作装置进行了有限元瞬态分析， 得出了工作装置零件在工作过程中的应力变化。 建立装载机整机这样复杂的系统模型，需要的 多学科仿真软件，V I S P 项目成员在图2 的装载机模 万方数据 9 8有色金属 第5 8 卷 型基础上，用M a t l a b ／S i m u l i n k 建立发动机、传动系 统、控制系统的模型，用液压仿真软件H o p s a n 建立 工作装置和转向部分液压系统的仿真模型。装载机 的仿真包括机械系统、液压系统和控制系统时，不同 领域仿真软件用户界面各不相同，定义模型的尺度 也不相同，有两维的也有三维的。于不同的分析目 标，为提高效率，装载机的子模型详细程度不一致。 所以装载机整车模型一旦被细化为不同学科仿真模 块，模块之间的通讯需要通过公共界面，界面不发出 指令，模块之间数据更新不能相互影响。用合适的 方法把各领域仿真工具集成起来，利用前后处理工 具使用多个仿真软件，软件仿真时的通讯方法保证 了仿真的精度。 图2V o l v o 装载机机械系统仿真模型 F i g ．2 M e c h a n i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fV o l v ow h e e ll o a d e r 多学科仿真对研究人员提出很高的要求，包括 机械系统、液压系统和控制系统的装载机仿真，对于 每个系统不仅要求使用者具有此领域的专业知识， 而且要求使用者操作掌握这些不同领域的、不断升 级的软件工具，这对工程人员是难以达到的。V I S P 项目最新的成果是针对工程技术人员，对装载机工 作装置，开发了集M o d e l i c a ，S o l i d W o r k s ，A d a m s ，A n s y s 为一体的软件工具。该软件以M o d e l i c a 为用户 界面，在建立装载机工作装置三维图形时，把S o l i d W o r k s 与M o d e l i c a 关接，生成M o d e l i c a 工作装置的 零件库，M o d e l i c a 中工作装置零件用图标表示，零件 之间装配关系用连线表示。在M o d e l i c a 图形界面 参考文献 中，从窗口左面零件库中选择零件的图标，拖入窗口 中间，用不同约束关系的连线联接零件，组装为由图 标和连线组成的工作装置模型。工作装置的M o d e l i c a 模型，调用S o l i d W o r k s 三维实体模型，生成包 含约束和载荷的A d a m s 工作装置机械系统仿真模 型，结合M o d e l i c a 的控制仿真模块进行仿真，也可 以生成包含约束和载荷的工作装置A n s y s 有限元模 型，进行工作装置的瞬态分析，得出零件的动态应 力。该软件工具在装载机工作装置设计计算时，无 需掌握A d a m s 和A n s y s 软件，能够对工作装置进行 动力学、运动学仿真和有限元计算[ 7 - 9 I 。 3 装载机虚拟样机建模的核心问题 用不同粗细程度部件模块组装的装载机整机仿 真模型，目标是仿真优化装载机性能，但是装载机操 作过程复杂，工作环境多变，使装载机的仿真难度大 于汽车的仿真难度。对于汽车模型，可以仿真典型 的操纵方式，然而对于装载机这种工程车辆，操作过 程中操作人员需要合理分配液压系统和驱动系统之 间的动力，装载机仿真的核心问题之一是确定装载 机典型的操作行为以及可能的危险操作行为。装载 机仿真另一个核心问题是工作环境模型，包括装载 机工作的路面谱，装载机低压轮胎的非线性特性以 及装载机工作时铲斗的挖掘力，装载机工作过程铲 斗的挖掘阻力理论上有各种的计算方法，但是理论 公式中的参数难于测量，这也给仿真带来一定的问 题[ 4 ．1 0 ] 。 4结语 装载机虚拟样机模型发展趋势，是在通用仿真 软件平台上，建立包括机械系统、液压系统、控制系 统的整机仿真模型，并且面对工程人员，所开发装载 机仿真模型具有容易学习使用的界面，分析操作简 单。随着装载机电子装置的产品开发的要求，装载 机工作场所的路面谱模型会不断完善，装载机标准 的工作过程模式会提出并完善。 [ 1 ] 王国彪，杨珏，宁晓斌，等．基于骨架模型的装载机工作装置的装配与运动仿真[ J ] ．工程机械，2 0 0 3 ，3 4 0 9 1 2 ～1 5 ． [ 2 ] 王国彪，柳青，张宗山．轮式装载机横梁与摇臂干涉问题的可视化解决方案[ J ] ．农业机械学报，2 0 0 1 ，3 2 0 1 3 1 3 3 ． [ 3 ] 于硕，闫涵．装载机工作装置的机构分析[ J ] ．工程机械，2 0 0 1 ，3 2 0 8 Z 5 2 7 ． [ 4 ] F i l l aR ，P a l m b e r gJO ．U s i n gd y n a m i cs i m u l a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y [ C ] ／／T h eE i g h t hS c a n d i n a v i a n I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nF l u i dP o w e r ．T a m p e r e ，F i n l a n d T h eP r e s so fL i n k p i n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 3 6 51 6 6 7 ． 下转第1 0 2 页，C o n t i n u e do nP ．1 0 2 万方数据 1 0 2 有色金属 第5 8 卷 A p p l i c a t i o no fL i f eC y c l eA s s e s s m e n ti nZ i n cM e t a l l u r g yP r o c e s s H EJ i n 9 1 ，M AR o n g - j u n2 ，Z E N GG u a n g - m i n 9 3 ，J I A OS h e n 9 3 ，L IQ i a n 3 1 ．C h a n g s h aE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nC o l l e g e ，C h a n g s h a4 1 0 0 0 4 ，C h i n a ；2 ．C h a n g s h aR e s e a r c h I n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a ；3 ．D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t a l S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，H u n a nU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fz i n cm e t a l l u r g i c a lp r o c e s si ss y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e db yt h el i f ec y c l ea s s e s s m e n tw i t ht h eZ h u z h o uS m e l t e ra st h ee x a m p l e ．A c c o r d i n gt h ea n a l y t i c a lr e s u l t ．t h eA Po fZ h u z h o uS m e l t e ri f f a rh i g h e rt h a nt h a to ft h ef o r e i g nh y d r o m e t a l l u r g i c a lp l a n t s ，e v e no b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h ．a to fs o m ed o m e s t i c p y r o m e t a l l u r g i c a ls m e l t e r ．S ot h es u g g e s t i o ni sp r o p o s e dt oZ h u z h o uS m e l t e rt h a tt h er a wm a t e r i a l sa n de n e r g yo f W a e l z r o t a r yf u r n a c es h o u l db ea d ju s t e da n dt h ec o n t r o lo fs o za n dC 0 2e m i s s i o ns t r e n g t h e n e d ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；z i n cm e t a l l u r g y ；e n v i r o n m e n t a li m p a c t i n d i c a t o r 上接第9 8 页，C o n t i n u e df r o mP ．9 8 [ 5 ] G r a n tPJ ，F r e e m a nJS ，V a i lR ，e ta 1 ．P r e p a r a t i o no fav i r t u a lp r o v i n gg r o u n df o rc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n ts i m u l a t i o n [ C ] ／／ A S M ED e s i g nE n g i n e e r i n gT e c h n i c a lC o n f e r e n c e s ．A t l a n t a ，U S A A S M EP r e s s ，1 9 9 8 1 1 1 ． [ 6 ] B u z d u g a nLI ，B a i l i n gO ，C h i e nP ．M u l t i r a t ei n t e g r a t i o nf o rr e a l t i m es i m u l a t i o no fw h e e ll o a d e rh y d r a u l i c s [ C ] ／／A S M ED e s i g n E n g i n e e r i n gT e c h n i c a lC o n f e r e n c e s ．L a sV e g a s ，U S A A S M EP r e s s ，1 9 9 9 1 ～1 5 ． [ 7 ] R e n oF i l l a ，A U a nE r i c s s o n ，J a n O r eP a l m b e r g ．D y n a m i cs i m u l a t i o no fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y T o w a r d sa no p e r a t o rm o d e l [ C ] ／／I n t e r n a t i o n a lF l u i dP o w e rE x h i b i t i o nT e c h n i c a lC o n f e r e n c e ．L a sV e g a s ，U S A T h eP r e s so fN a t i o n a lF l u i dP o w e rA s s o e i a t i o n ，2 0 0 5 4 2 9 4 3 8 ． [ 8 ] L a r s ．s o nJ ．C o n c e p t sf o rm u l t i d o m a i ns i m u l a t i o nw i t ha p p l i c a t i o nt Oc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y [ D ] ．L i n k p i n g ，S w e d e n L i n k p i n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 1 1 8 7 ． 【9 ] F i l l aR ．O p e r a t o ra n dm a c h i n em o d e l sf o rd y n a m i cs i m u l a t i o no fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y [ D ] ．L i n k p i n g ，S w e d e n L i n k p i n g U n i v e r s i t y ，2 0 0 5 2 7 3 9 ． [ 1 0 ] B l o u i nS ，H e m a m iA ，L i p s e t tM ．R e v i e wo fr e s i s t i v ef o r c em o d e l sf o re a r t h m o v i n gp r o c e s s e s [ J ] ．A S C EJ o u m a lo fA e r o s p a c e E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，1 4 3 1 0 2 1 1 1 ． R e v i e wo nV i r t u a lP r o t o t y p i n gT e c h n o l o g yA p p l i c a t i o nt oW h e e lL o a d e r N I N GX i a o - 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